DC/DC轉(zhuǎn)換器空間受限的解決方案

如何解決有限空間的問題，理論上的答案很簡單：提高效率，同時提高開關(guān)頻率。而在實際的12V電源系統(tǒng)中，提高效率和提高開關(guān)頻率是相違背的，因此這成為一個非常難于解決的問題。

世界正在縮小，而相應(yīng)的電子設(shè)備也隨之縮小，隨著電路功能的增強和密度的提高，PCB的占位面積成為首要的元素。PCB主要被應(yīng)用的核心功能元件，如微處理器、FPGA、ASIC及其相關(guān)的高速數(shù)據(jù)路徑和支持元件所占用。必需的，然而卻是人們不想要的供電電源被強制壓縮到剩下的有限空間里。此外，隨著功能性和密度的提高，功耗勢必會相應(yīng)的增長。具有同等重要性的另一因素是易于設(shè)計及其魯棒性。這些就為電源設(shè)計者帶來了一個挑戰(zhàn)，即如何在有限的區(qū)域提供更多的電源，同時保證一個通用而簡單的設(shè)計。

盡管如此，這恰恰是賦予IR第三代負載點（POL）集成型穩(wěn)壓器設(shè)計者的任務(wù)。他們完成了一系列集成了MOSFET的DC-DC步降式降壓轉(zhuǎn)換器，滿足1A至25A寬范圍的電流輸出。

這一解決方案凝聚了三個領(lǐng)域的創(chuàng)新：IC開關(guān)穩(wěn)壓器電路設(shè)計、高效MOSFET和IC封裝。首先，為了允許將開關(guān)頻率增加到1MHz或更高，同時仍然在高輸入電壓比如12V下運行，我們設(shè)計了一個新的專利型調(diào)制器模塊，可以產(chǎn)生極小的無抖動的開通脈沖。例如，將12V輸入電源轉(zhuǎn)換為1V輸出電壓，開關(guān)頻率為1MHz，脈沖寬度僅為83ns，因而只能承受非常小的抖動。

而標(biāo)準(zhǔn)的PWM方案通常具有大約30-40ns的抖動，因而在這種應(yīng)用條件下不可用。圖1a清楚地說明了這一點，在一個標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器中脈寬的抖動引起脈寬跳變進而導(dǎo)致輸出紋波過大。與此相反，圖1b中顯示，第3代的SupIRBuck中采用的專利型PWM調(diào)制器，在相同的條件下，提供了干凈的、得到良好控制的輸出紋波。在第3代的SupIRBuck系列內(nèi)的PWM調(diào)制器僅產(chǎn)生了4ns的抖動，相比于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案（圖2）減少了90%.這就帶來了雙重效益，即將輸出電壓紋波降低大約30%，并且允許在1MHz或更高頻率/更高帶寬下運行，以實現(xiàn)更小的尺寸，更好的瞬態(tài)響應(yīng)，及更少的輸出電容。


圖1： 1MHz、16Vin、0.7Vout應(yīng)用條件下，輸出紋波性能（a）標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器（b）IR第三代SupIRBuck


圖2：脈寬抖動對比

新產(chǎn)品家族集成了IR公司的功率MOSFET及一個內(nèi)部產(chǎn)生的6.8V柵極驅(qū)動。這就使得第三代SupIRBuck系列產(chǎn)品，無需任何額外的外部電路，即可以獲得市場領(lǐng)先的效率（圖3），優(yōu)于通常將柵極驅(qū)動限定在5V的傳統(tǒng)解決方案。


圖3： 5V和6.8V柵極驅(qū)動的效率比較

采用標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)進行散熱，對于在1A -16A電流范圍的小功率電流軌而言是足夠的。然而，對于高功率軌，如25A電流，為了實現(xiàn)市場領(lǐng)先的散熱性能，例如溫升低至50oC同時還要提供25A的電流時，IR采用了專用的封裝（圖4）。同步MOSFET翻轉(zhuǎn)成為“源極向下（Source down）”放置，而控制MOSFET保持著傳統(tǒng)的“漏極向下（drain down）”放置。大部分熱量在同步MOSFET的源極產(chǎn)生，因而能夠立即傳導(dǎo)出封裝，并傳導(dǎo)到接地層，而不是像競爭解決方案那樣通過硅片來傳導(dǎo)?？刂芃OSFET的源極是由一個單獨的銅夾連接到同步MOSFET的漏極，而銅夾又與開關(guān)結(jié)點相連。這將有助于從控制MOSFET傳導(dǎo)熱量并在MOSFET和開關(guān)結(jié)點之間提供極低的電氣連接阻抗。


圖4：專利型封裝為IR3847（25A）提供最大的導(dǎo)熱導(dǎo)電性

由于采用銅夾的新型增強散熱型封裝，和高于1MHz開關(guān)頻率的創(chuàng)新控制技術(shù)，以及IR最新一代的12.5 MOSFET，IR3847可在25A的電流下工作而不需要任何散熱器，而且，與采用控制器和功率MOSFET的分立式解決方案相比，PCB的尺寸縮減了70%.目前，使用IR3847，一個完整的25A電源解決方案可以在小達168 mm2的面積內(nèi)實現(xiàn)。（圖5）


圖5：利用IR3847（25A）實現(xiàn)的PCB縮減

全新第三代的SupIRBuck系列的運行結(jié)溫是-40oC至125oC，符合工業(yè)市場的要求。它們可用于單輸入電壓（5V-21V），或者在提供了5V外部偏壓的情況下，輸入電壓范圍1V-21V的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用場合。第三代SupIRBucks具有集成了精確死區(qū)時間調(diào)節(jié)功能，使得效率損失最小化，并具有一個靈敏的內(nèi)部LDO，用以在整個負載范圍上優(yōu)化效率。

對于大電流應(yīng)用必不可少的真實的差分遠程檢測（僅適用于IR3847）（圖6）；在25°C至105°C的溫度范圍內(nèi)，0.5%的基準(zhǔn)電壓精度；輸入前饋以及極低的脈寬抖動相結(jié)合，使總輸出電壓精度在整個輸入、負載和溫度條件下超過3%.其他先進的功能包括外部時鐘同步、時序、跟蹤、輸出電壓裕量、預(yù)偏置起動能力、輸入電壓感知使能、可調(diào)過壓保護和內(nèi)部軟啟動。

第三代SupIRBucks通過一個專門引腳（VSNS），來檢測真實的輸出電壓。因此提供了一個可靠的解決方案，以保證在各種條件下都可以對輸出電壓進行監(jiān)測，尤其是當(dāng)反饋線路壞掉的情況，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)競爭產(chǎn)品那樣的災(zāi)難性的過壓后果。


圖6：IR3847（25A）的真實差分遠程檢測

開關(guān)結(jié)點處的尖峰電壓是引致MOSFET電應(yīng)力的一個主要來源。完全的單片電路產(chǎn)品，MOSFET和控制器都被集成到同一個硅片，因而對于尖峰電壓特別敏感。這些類型的產(chǎn)品通常通過降低輸入電壓和開關(guān)結(jié)點電壓以避免MOSFET過應(yīng)力。然而，降低這些參數(shù)的等級在許多應(yīng)用中都不適用。

更為可靠的方法是將控制器芯片從MOSFET硅片中分離出來。因而MOSFET可以采用更高的電壓工藝制程，達到更高的電壓等級，來承受更高的電壓尖峰，而同時控制器可以采用較低的電壓工藝。第三代SupIRBucks即采用了這種方法，其中3個分立式硅片（控制器、同步MOSFET和控制MOSFET）在封裝上被集成在一起（圖7）。因而提供了更高水平的魯棒性。


圖7：控制器和MOSFET的封裝級集成，比單硅片方案提高了魯棒性

利用全新第三代SupIRBuck系列，IR解決了發(fā)熱和空間都受限的高密度電源應(yīng)用的挑戰(zhàn)，而且在負載范圍內(nèi)總的輸出電壓精度高于3%.競爭器件通常只有5%或稍高的精度。通過顯著降低脈寬的抖動，使最小脈寬短至50ns，第3代SupIRBuck提供了更高的閉環(huán)帶寬，從而實現(xiàn)了更好的瞬態(tài)響應(yīng)和更小的輸出電容。

客戶對于電源最佳性能和密度的需求永不妥協(xié)。第三代SupIRBuck系列產(chǎn)品通過簡易化的設(shè)計流程滿足了這些需求并走的更遠。相同的引擎和功能都在這個系列中的每個產(chǎn)品中加以復(fù)制，因此設(shè)計者可以馬上熟悉所有產(chǎn)品并在每款產(chǎn)品上重復(fù)使用相同的設(shè)計方法。有些產(chǎn)品的腳位兼容以便于替換使用，這使得設(shè)計者能針對不同功率等級的產(chǎn)品做出快速修改。

此外，免費的在線設(shè)計工具可以加快設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速問市。該工具提供原理圖，物料清單，仿真和熱性能參數(shù)，并允許用戶定制化設(shè)計輸入，包括元件選擇，PCB布局走線和輸入電壓（圖9）。


圖8：第3代SupIRBuck產(chǎn)品系列